一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法及系统与流程

本发明属于配电运行领域，特别涉及一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法及系统。

背景技术：

电压质量是配电网运行最为关注的指标之一，在目前的配电网中尚没有对各个节点电压进行全面监测的手段，进行电压调节都是在向配电网供电的变电站进行，或者由各负荷根据各自接入点电压利用无功电容补偿进行。这些电压调节措施通常难以兼顾全局的电压水平，且缺少协调控制的方法和实施手段。

大量以清洁和可再生能源为一次能源的分布式电源接入电力系统运行是未来电网发展的必然趋势，这些分布式发电的接入可同时提高用户的经济效益，电网运行的安全性和可靠性以及社会综合效益。目前虚拟发电厂模式是公认的应对高渗透率分布式电源接入运行最有效模式和手段之一，该模式是利用先进的通信与控制技术，协调控制散布在配电网网络中的多个分布式电源、分布式储能和用户需求响应(三者统称为分布式资源)，使得它们的行为对电网而言表现为一个整体发电厂，通过参与电力市场交易向用户提供电力供应，同时还可向电网提供电压支撑、频率调节等辅助服务。

因此，若能设计一种基于虚拟发电厂模式的配电网电压控制方法与系统，在充分发挥分布式电源发电经济效益的同时，向配电网提供电压支撑服务，将能更好地发挥分布式电源的作用，实现良好的分布式电源与配电网的协调运行，对于促进分布式电源的利用，提高配电网的运行可靠性和供电质量具有重要的理论和实用价值，但目前本领域尚未有相关技术方案出现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法及系统。

本发明技术方案提供一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法，所述虚拟发电厂包括多个接入馈电网络的分布式电源和集中控制器，各分布式电源分别与集中控制器之间通过双向通信线路连接，设沿馈电网络的馈电线路接有n个负荷和m个分布式电源，各个负荷所接入的节点编号依次为1,2,…,n，在馈电线路最末端的节点n处设置电压监测装置，电压监测装置通过双向通信线路与集中控制器连接，配电网电压控制过程包括如下步骤，

步骤1，在虚拟发电厂的当前调度时间段开始时刻进行是否调控判断，包括在当前调度时间段开始，各分布式电源j分别向集中控制器上传相应接入节点的电压有效值U_fj，j＝1,2,…,m，监测装置向集中控制器上传节点n处电压有效值U_n，集中控制器判断是否U_n<U_lim1，U_lim1为标准规定的节点电压有效值下限值，是则进入步骤2，否则等待新的调度时间段开始再进行是否调控判断；

步骤2，集中控制器建立优化模型如下，

集中控制器调度的目标函数为：

约束条件为：

U_lim1≤U_n(set)

0≤Q_j(set)≤Q_j(max),j＝1,2,...,m

其中，Q_j(set)为分布式电源j输出无功功率的设定值，U_n(set))为进行无功调度后节点n的电压有效值预测值，Q_j(max)为分布式电源j输出无功功率的最大限值；

步骤3，集中控制器求解优化模型，得到各分布式电源输出无功功率的设定值Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)，

在计算U_n(set)时，通过下式实现：

其中，系数α_nj是分布式电源j向网络注入单位无功功率后，配电网馈电线路节点n的电压有效值变化量；

步骤4，集中控制器向各分布式电源发送相应输出无功功率的设定值Q_j(set),j＝1,2,…,m，各分布式电源根据相应输出无功功率的设定值Q_j(set)产生相应的无功功率注入至馈电线路。

而且，系数α_nj通过下式计算得到：

式中，Q_j为分布式电源j向配电网注入的无功功率；ΔU_nj为分布式电源j向配电网注入无功功率Q_j后节点n的电压有效值变化量。

而且，步骤4完成后，等待新的调度时间段开始再返回步骤1。

本发明还相应提供一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制系统，所述虚拟发电厂包括多个接入馈电网络的分布式电源和集中控制器，各分布式电源分别与集中控制器之间通过双向 通信线路连接，设沿馈电网络的馈电线路接有n个负荷和m个分布式电源，各个负荷所接入的节点编号依次为1,2,…,n，在馈电线路最末端的节点n处设置电压监测装置，电压监测装置通过双向通信线路与集中控制器连接，集中控制器包括如下模块，

调控判断模块，用于在虚拟发电厂的当前调度时间段开始时刻进行是否调控判断，包括在当前调度时间段开始，各分布式电源j分别向集中控制器上传相应接入节点的电压有效值U_fj，j＝1,2,…,m，监测装置向集中控制器上传节点n处电压有效值U_n，集中控制器判断是否U_n<U_lim1，U_lim1为标准规定的节点电压有效值下限值，是则命令优化模型建立模块工作，否则等待新的调度时间段开始再进行是否调控判断；

优化模型建立模块，用于建立优化模型如下，

集中控制器调度的目标函数为：

约束条件为：

U_lim1≤U_n(set)

0≤Q_j(set)≤Q_j(max),j＝1,2,...,m

其中，Q_j(set)为分布式电源j输出无功功率的设定值，U_n(set))为进行无功调度后节点n的电压有效值预测值，Q_j(max)为分布式电源j输出无功功率的最大限值；

无功功率设定获取模块，用于求解优化模型，得到各分布式电源输出无功功率的设定值Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)，

在计算U_n(set)时，通过下式实现：

其中，系数α_nj是分布式电源j向网络注入单位无功功率后，配电网馈电线路节点n的电压有效值变化量；

无功功率设定输出模块，用于向各分布式电源发送相应输出无功功率的设定值Q_j(set),j＝1,2,…,m，各分布式电源根据相应输出无功功率的设定值Q_j(set)产生相应的无功功率注入至馈电线路。

而且，系数α_nj通过下式计算得到：

式中，Q_j为分布式电源j向配电网注入的无功功率；ΔU_nj为分布式电源j向配电网注入无功 功率Q_j后节点n的电压有效值变化量。

而且，无功功率设定输出模块在向各分布式电源发送相应输出无功功率的设定值完成后，等待新的调度时间段开始再命令调控判断模块工作。

通过虚拟发电厂协调各分布式电源的无功功率注入，能够使得配电网络中馈电线路各节点电压满足标准的要求，在分布式电源提供有功功率的同时向配电网提供无功功率支撑，在发挥分布式电源发电经济效益的同时可为配电网络提供服务，进一步提高了分布式电源的利用。本发明对于提高虚拟发电厂的实用化程度、进一步发挥分布式电源给电力系统带来的诸多效益具有重要理论和实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构示意图。

图2是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案、优点更加清晰，下面将结合本发明实施例和附图来介绍本发明的技术方案。

本发明提供一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法及系统。将散布在配电网络馈线上的分布式电源汇聚成为虚拟发电厂运行，这些分布式电源监测各种接入点的电压，同时估算自身向配电网注入无功功率时配电网各个节点电压的变量率，将监测到的电压和节点电压相对注入无功功率的变化率上传至集中控制器。集中控制器根据上传信息估算配电网馈电线路电压降落最严重的节点的电压，计算出各个分布式电源无功功率输出的设定值，一方面使得馈电线路各节点电压恢复至标准规定的范围内，另一方面使得虚拟发电厂进行各分布式电源无功功率调度时的总费用最小。如图1所示为本发明实施例的一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法的系统结构示意图，配电网络馈线主要由配电网络供电变电站供电，沿馈线接有负荷1,负荷2,…,负荷n，各个负荷所接入的节点编号依次为1,2,…,n，其中任一负荷接入节点可记为k，k＝1,2,…,n；配电网络中还接入有分布式电源1，分布式电源2，…,分布式电源m，这些分布式资源可以是以清洁能源和可再生能源作为一次能源的分布式发电，例如风力发电，太阳能光伏发电，热电联产系统等；也可以是分布式储能系统，例如电动汽车等。虚拟发电厂由分布式电源1，分布式电源2，…,分布式电源m，集中控制器，分布式电源1，分布式电源2，…,分布式电源m分别与集中控制器之间的双向通信线路构成，如图1中虚线框内所示。分布式资源1、分布式资源2、…,分布式资源m通过双向通信线路与虚拟发电厂的集中控制器进行通信，向集中控制器传输自身的状态等信息，集中控制器根据虚拟发电 厂的运行目标，结合分布式资源的状态信息等，确定分布式电源输出无功功率设定值，并通过双向通信线路向各个分布式电源发送，分布式电源接收到输出无功功率设定值后产生相应的无功功率Q₁,Q₂,…,Q_m，使得网络各节点电压的有效值U₁,U₂,…,U_n在标准规定的范围内。在馈电线路最末端节点n处装设有电压监测装置，该装置通过双向通信线路与集中控制器连接，向集中控制器提供节点n的电压有效值U_n。具体实施时，电压监测装置可采用现有产品。

附图2为本发明实施例的一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1，在虚拟发电厂的当前调度时间段开始时刻进行是否调控判断：在当前调度时间段开始，分布式电源j上传节点处电压有效值U_fj，电压监测装置上传节点n处电压有效值U_n，集中控制器判断：U_n<U_lim1？是则进入步骤2，否则等待新的调度时间段开始，作为下一个当前调度时间段再次进行是否调控判断。

首先在虚拟发电厂的每个调度时间段开始时刻，各分布式电源需要向集中控制器上传其所接入节点的实时电压有效值U_f1,U_f2,…,U_fm，这可以通过分布式电源对接入点电压监测结果而方便地获得。分布式电源j实时地通过双向通信线路向集中控制器上传U_fj(j＝1,2,…,m)。

其次，集中控制器需要根据U_fj(j＝1,2,…,m)来判断馈电线路中是否某个节点电压低于标准规定的范围。我国标准《GBT 12325-2008电能质量供电电压偏差》中详细规定了各个电压等级的馈电线路的节点电压允许偏差的范围。由于集中控制器仅知道分布式电源接入点的节点电压有效值U_fj(j＝1,2,…,m)，对于其它没有接入分布式电源的节点电压有效值无法获知，可通过如下方法进行：在图1所示的馈电线路中，节点电压降落最为严重的为馈电线路的最末端位置，即节点n处。因此，本发明提出在节点n加装一套电压监测装置，该装置在每个调度时间段开始时刻将节点n的电压有效值U_n通过双向通信线路上传至集中控制器。具体实施时，本领域技术人员可自行预设调度时间段的时长，一般可设为5min。当节点n电压有效值U_n满足标准规定的要求时，即：U_n≥U_lim1，U_lim1为标准规定的节点电压有效值下限值，集中控制器不进行调度，等待下一调度时段的开始；如果节点n电压有效值U_n不满足标准规定的要求时，即：U_n<U_lim1，则进入步骤2。

步骤2，集中控制器建立式(1)、式(2)、式(3)所示优化模型：

集中控制器调度的目标函数为：

约束条件为

U_lim1≤U_n(set) (2)

0≤Q_j(set)≤Q_j(max),j＝1,2,...,m (3)

式(1)表示所需要调度的分布式电源输出无功功率的总和最小，以减小调度无功功率的成本，Q_j(set)为分布式电源j输出无功功率的设定值。式(2)中U_n(set)为进行无功调度后节点n的电压有效值预测值，使得其不低于U_lim1；式(3)为各分布式电源输出无功功率的限制条件，其中Q_j(max)为分布式电源j输出无功功率Q_j的最大限值，该限值是常量，可根据分布式电源的特性获知，在规划设计阶段即可预存到集中控制器中。

步骤3，集中控制器求解优化模型，得到Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)：

按优化模型计算各分布式电源输出无功功率Q₁,Q₂,…,Q_m的设定值Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)。

可通过目前成熟的线性或非线性规划方法求解以式(1)为目标函数，式(2)和式(3)为约束条件的优化问题，从而得Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)。

在计算U_n(set)时，可通过下式进行：

式中，系数α_nj是分布式电源j向网络注入单位无功功率后，配电网馈电线路节点n的电压有效值变化量。用公式表示为：

式中，下标j表示分布式电源编号，j＝1,2,…,m；Q_j为分布式电源j向配电网注入的无功功率；ΔU_nj为分布式电源j向配电网注入无功功率Q_j后节点n的电压有效值变化量；系数α_ij可以通过两种方法求得，一种是通过离线的潮流计算得到，这种方法是目前成熟的技术；另一种是通过实际测量的方法，即实际运行过程中，仅从分布式电源j注入无功功率Q_j，保持其它分布式电源输出无功功率为零，根据实际测量得到的各个节点电压有效值的变化ΔU_nj，根据式(5)计算得到。后一种方法可预先在实际运行过程中进行相关试验实现。

步骤4，集中控制器向各分布式电源发送相应Q_j(set),j＝1,2,…,m，各分布式电源根据相应输出无功功率的设定值Q_j(set)产生相应的无功功率注入至馈电线路。

在得到Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)后，集中控制器通过双向通信线路向各分布式电源传送无功功率设定值Q_j(set)。各分布式电源根据该设定值Q_j(set)产生相应的无功功率注入至馈电线路，从而满足式(2)所示的约束条件。以上过程可持续进行，针对当前调度时间段执行完步骤4后，可等待新的调度时间段开始，作为下一个当前调度时间段返回步骤1再次进行是否调控判断。

具体实施时，本领域技术人员可采用软件方法实现上述流程的自动运行，也可以采用模块化方式实现。本发明实施例还提供一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制系统，所述虚拟 发电厂包括多个接入馈电网络的分布式电源和集中控制器，各分布式电源分别与集中控制器之间通过双向通信线路连接，设沿馈电网络的馈电线路接有n个负荷和m个分布式电源，各个负荷所接入的节点编号依次为1,2,…,n，在馈电线路最末端的节点n处设置电压监测装置，电压监测装置通过双向通信线路与集中控制器连接，集中控制器包括如下模块：

调控判断模块，用于在虚拟发电厂的当前调度时间段开始时刻进行是否调控判断，包括在当前调度时间段开始，各分布式电源j分别向集中控制器上传相应接入节点的电压有效值U_fj，j＝1,2,…,m，监测装置向集中控制器上传节点n处电压有效值U_n，集中控制器判断是否U_n<U_lim1，U_lim1为标准规定的节点电压有效值下限值，是则命令优化模型建立模块工作，否则等待新的调度时间段开始再进行是否调控判断；

优化模型建立模块，用于建立优化模型如下，

集中控制器调度的目标函数为：

约束条件为：

U_lim1≤U_n(set)

0≤Q_j(set)≤Q_j(max),j＝1,2,...,m

其中，Q_j(set)为分布式电源j输出无功功率的设定值，U_n(set))为进行无功调度后节点n的电压有效值预测值，Q_j(max)为分布式电源j输出无功功率的最大限值；

无功功率设定获取模块，用于求解优化模型，得到各分布式电源输出无功功率的设定值Q_1(set),Q_2(set),…,Q_m(set)，

在计算U_n(set)时，通过下式实现：

其中，系数α_nj是分布式电源j向网络注入单位无功功率后，配电网馈电线路节点n的电压有效值变化量；

无功功率设定输出模块，用于向各分布式电源发送相应输出无功功率的设定值Q_j(set),j＝1,2,…,m，各分布式电源根据相应输出无功功率的设定值Q_j(set)产生相应的无功功率注入至馈电线路。

无功功率设定输出模块在向各分布式电源发送相应输出无功功率的设定值完成后，可等待新的调度时间段开始再命令调控判断模块工作。

可以看到，本发明利用虚拟发电厂的集中控制器，根据分布式电源监测到的接入点电压 偏差，计算配电网中电压降低最严重的节点的电压；根据各个分布式电源注入无功对电压降低最严重的节点电压的影响程度，调度各个分布式电源向配电网络中注入的无功功率，使得配电网中各个节点电压均维持在标准规定的范围内，同时分布式电源注入的无功功率总和最小。该方法和系统能有效维持配电网的节点电压水平，提供供电质量和可靠性，充分发挥分布式电源汇聚成为虚拟发电厂后的电压支撑作用，进一步提高分布式电源的使用效益。根据本发明的一种基于虚拟发电厂的配电网电压控制方法及系统，可以利用分布式电源向配电网络提供电压支撑的辅助服务，同时实现方便，计算简单，具有很高的实用价值和市场推广前景。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。